1 150 mm 六辊可逆冷轧机机架有限元分析

孙建召 刘德华

(中冶陕压重工设备有限公司，陕西 710119)

轧机机架是轧机中最重要的部件，要承受巨大的轧制力和冲击力，还有部分部件要安装在机架上，因此，要求机架必须具有足够的刚度和强度［1］。它的刚度对保证轧制的精度起着关键的作用，轧机的精度又是衡量轧机装机水平的重要参数，轧机的强度则是轧机能否长期安全有效工作的前提。本文对协和首信钢业有限公司1 150 mm 六辊冷轧机机架做了有限元分析，并对分析结果进行了讨论，为设计提供了参考。

1 有限元分析

1.1 建立模型

根据机架的特征和其结构特点对机架进行适当的简化，并根据模型结构及其载荷的对称性，只分析1/4 模型，然后利用ANSYS 强大的APDL 语言进行建模［2］。采用自底向上建模方式，创建关键点、线、面、体，生成模型，如图1 所示。

几何模型创建完成后，需要定义单元类型、弹性模量和泊松比。本文机架材料为ZG230-250，屈服极限为220 MPa，强度极限为435 MPa，弹性模量为2.1E5 MPa，泊松比为0.32。选用20 节点的solid186 实体单元，将机架全部划分成六面体单元，如图2 所示，共生成单元15 582 个，节点73 932个。

图1 机架几何模型Figure 1 Geometric model of standing

模型的简化，不仅能大大节约计算时间，而且能够允许网格的细化，增加计算的精确度，而将模型划分为六面体单元也提高了计算的准确性。

1.2 约束与载荷

轧机在运行过程中受到机械方面的约束和轧制力，根据实际情况对机架进行约束。对机架外侧轧制线位置节点约束其Y 向的自由度，机架与底座配合面约束其X、Z 向自由度。此外，由于模型的对称性简化，还需要定义YZ 平面和XY 平面所在的机架面为对称约束，约束后结果如图3 所示。

由于所建模型为原模型的1/4，因此上下的载荷为轧制力的1/4。窗口顶部选取与油缸垫板1/4 大小相等的区域，选择此区域的所有节点，将所需轧制力均布施加到每个节点。窗口底部选取与斜楔接触区域1/4 相等的区域，也将所需轧制力平均施加到每个节点，结果如图4 所示。

图2 机架有限元模型Figure 2 Finite element model of standing

图3 约束Figure 3 Constraint

图4 载荷Figure 4 Loading

1.3 后处理结果分析

施加完载荷后，直接进行求解，求解完毕，进行后处理查看。一般对应于轧机强度的衡量参数是应力，对应于轧机刚度的衡量参数是位移。下面分别用还原后的模型对两者进行分析。

(1)合成应力云图分析

由应力云图5 可知，应力集中处的最大应力为58.644 MPa，而应力集中部位为机架载荷处与前后面的相交线部位。由实际机架受力情况可知，此处接触较少，不是关键部位，基本不影响机架的强度。

对于机架横梁与立柱的应力值是两个关键的参数。通过云图5 可得，立柱内侧的应力为立柱上应力较大区域，应力基本分布在20 MPa。通过材料的屈服极限计算得，立柱处安全系数为11，在安全范围内［3］，说明立柱处的强度可靠。横梁处的应力基本分布在18 MPa，计算得横梁的安全系数为12.2，强度可靠。上横梁与立柱连接处和下横梁与立柱连接处的应力基本为25 MPa，安全系数为8.8，强度可靠。

图5 应力云图Figure 5 Stress cloud chart

图6 位移云图Figure 6 Displacement cloud chart

(2)位移云图分析

根据载荷特性知，机架Y 向的位移应为最大，因此对此方向进行详细分析。由图6 可知，上横梁最大位移是0.18 mm，为其Y 向尺寸的0.15‰;下横梁的最大位移是0.16 mm，为其Y 向尺寸的0.13‰;立柱的最大位移是0.1 mm，为其Y 向尺寸的0.02‰。

其它两个方向的位移，分别为X 向最大位移为0.07 mm，Z 向最大位移为0.022 mm。

由以上分析可知，对于机架来说，变形量微乎其微，机架的刚性足够。

2 总结

经过对1 150 mm 六辊可逆冷轧机机架进行有限元分析，可以得出以下结论:

(1)通过分析应力，证明机架的强度能够满足要求，而且有较大的安全系数。

(2)通过分析变形量，得知最大变形量仅为0.15‰，说明机架的刚度满足要求。

(3)通过现场运行情况，目前已轧出设计的最薄板带0.2 mm，全部产量已超过5 万吨，机架工作完全正常，达到设计要求，为用户带来明显的收益。

3 展望

随着轧钢行业的发展，目前六辊可逆冷轧机凭借其优势，在市场上还很活跃，因此很有必要对其做深入的研究。利用现代高科技的分析手段——有限元方法，快速、准确的对机架进行分析，不仅可以节约成本，还能缩短设计周期，增强设计的可靠性。还可以利用多种软件相结合的方式进行机架设计，提高工作效率。

［1］徐庆才，梅丽华.二辊轧机机架有限元分析［J］.一重技术，2003(4):2－3.

［2］博弈创作室.APDL 参数化有限元分析技术及其应用实例［M］.北京:中国水利水电出版社，2004.

［3］黄庆学.轧钢机械设计［M］.北京:冶金工业出版社，2007.